Revista >> Iunie 2023 [Nr. 255] >> Cercetare & Invatamant superior

Pământurile rare, un pilon în asigurarea energiei verzi în secolul 21

Dr. Radu Piticescu – INCD pentru Metale Neferoase si Rare (IMNR)

22 Iunie 2023

Europa și-a impus ținte ambițioase pentru a răspunde provocărilor de mediu și sociale ale secolului XXI: scăderea cu 40% a emisiilor gazelor de seră până în 2030, comparativ cu 1990 și realizarea unei economii neutră din punct de vedere al carbonului până în 2050. Aceasta nu se poate realiza fără a combina diferite tehnologii de generare și stocare a energiei, precum și tehnologii care să îmbunătățească eficiența energetică în utilizare și în procesele de fabricație. Noua strategie industrială a UE adoptată în anul 2020 aduce în prim plan faptul că, odată cu tranziția industriei europene către neutralitatea climatică, dependența actuală de combustibilii fosili ar putea fi înlocuită cu o dependență de materii prime.

Astfel, se propune consolidarea autonomiei strategice deschise a Europei Metalelor, mai ales metalele neferoase, ce reprezintă elementele de bază pentru dezvoltarea tehnologiilor energetice verzi, ca de exemplu baterii pentru o mobilitate curată, panouri solare și turbine eoliene, clădiri eficiente din punct de vedere energetic, etc. Aproape întregul sistem periodic se regăsește în tehnologiile erei digitale, cu ponderi mari în consumul de elemente precum cupru, siliciu, galiu, germaniu, aur, indiu, metale platinice și pământurile rare. Europa este dependentă în mare măsură de materii prime din alte țări (peste 41% din China, peste 30% din Africa) pentru componente de înaltă tehnologie și generare energiei verzi (EC-Critical Raw Materials for Strategic Technologies and Sectors in the EU: A Foresight Study, ISBN 978-92-76-15336-8 doi: 10.2873/58081). De aceea, din considerente mai ales economice și politice, aceste metale sunt incluse în lista materialelor critice, iar cercetarea științifică are un rol major în dezvoltarea unor tehnologii eficiente de obținere și utilizare a lor, cu un puternic accent pe implementarea conceptului de economie circulară.
Industria europeană a metalelor neferoase a făcut deja pași semnificativi pentru adaptarea la noile cerințe prin atingerea unor niveluri mai ridicate de electrificare și circularitate, urmărind să îndeplinească obiectivele UE pentru anul 2050 privind neutralitatea climatică, într-un mediu concurențial tot mai acerb la nivel mondial.

Un institut dedicat valorificării materialelor critice
INCDMNR-IMNR continuă tradiția sa de a fi un institut strategic capabil să furnizeze noi soluții tehnologice inovative pentru recuperarea, reutilizarea și substituția materialelor critice, cu aplicații în energie, sănătate, spațiu, apărare și securitate, participând de asemenea activ la consultările realizate la nivel european de Asociația Europeană pentru Materii Prime (ERMA) și Process4Planet Research -SPIRE.

Prin noua sa strategie instituțională, în conformitate cu strategia de specializare inteligentă din domeniul cercetării și inovării 2021-2027, INCDMNR-IMNR și-a propus o nouă abordare axată pe doi piloni:
– Dezvoltarea unor soluții tehnologice care să conducă la crearea de cunoștințe în domeniul stocării și generării energiei prin: tehnologii emergente în domeniul pilelor de combustie cu oxid solid (SOFC) având proprietăți de conductivitate ionică și durabilitate superioare, elaborarea de materiale performante de stocare a hidrogenului bazate pe aliaje concentrate complexe, demonstrarea potențialului materialelor și acoperirilor pe bază de oxizi de pământuri rare cu entropie înaltă în co-generarea energiei;
– Noi abordări tehnologice bazate pe fabricație avansată (printare 3D) esențiale în viitoarele lanțuri valorice de fabricație și procesare a materialelor metalice și ceramice.

Pământurile rare (REE) sunt un grup de 17 elemente din tabelul periodic care cuprinde cele15 elemente cu numere atomice de la 57 la 71 (numite lantanide), la care se adaugă scandiul și ytriul, prezentând proprietăți chimice similare. Majoritatea lor formează compuși stabili în stările de oxidare 3+ și 4+. Datorită naturii lor electropozitive și a afinității mari pentru oxigen, REE apar în natură ca minerale sub formă de compuși complecși.
Celulele de combustie cu electrolit solid sunt tehnologii avansate extrem de eficiente, curate și durabile care pot produce electricitate printr-o reacție electrochimică între un combustibil (hidrogen, hidrocarburi, metan, etc. ) și un agent oxidant (aer sau oxigen). Acestea convertesc energia chimică în energie electrică, prezentând caracteristici superioare tehnologiilor convenționale de conversie. Aproximativ 30 de materii prime sunt necesare pentru obținerea celulelor de combustie în tehnologiile de stocare a hidrogenului. Dintre acestea, 13 materiale sunt considerate critice conform listei CRM din 2020: magneziu, cobalt, REE, paladiu, platină, borati, siliciu metalic, ruteniu, rodiu, grafit, litiu, vanadiul și titan. Pământurile rare sunt elementele care asigură o densitate ridicată a purtătorilor de sarcină. Tabelul de mai jos prezintă principalele metale utilizate la fabricarea celulelor de combustie.
Unul dintre cei mai importanți factori dintre diversele surse de energie regenerabilă care contribuie la generarea de energie electrică este energia eoliană, o tehnologie rentabilă pentru atenuarea schimbărilor climatice. Generatorul este un element cheie al unei turbine eoliene, care convertește energia mecanică în energie electrică. Praseodimul, neodimul și disprosiul sunt pământurile rare cu rol cheie pentru fabricarea magneților permanenți din clasa NdFeB, care produc un câmp magnetic ridicat și care asigură cel mai ridicat randament al generatoarelor sincrone ale turbinei eoliene de mare eficacitate, dar și în motoare electrice, robotică, hardware sau dispozitive electrice și electronice. În tabelul următor sunt prezentate cele mai importante metale utilizate la fabricarea generatoarelor eoliene.

În sprijinul recuperării REE și a dezvoltării economiei circulare
Pentru a reduce dependența de importurile de REE și magneți permanenți din China, implementarea conceptelor de economie circulară prin recuperarea, reciclarea și reproiectarea componentelor dispozitivelor electrice și electronice devin o resursă secundară importantă pentru Europa. La ora actuală rata de recuperare a REE din astfel de dispozitive este de numai 35%, principala cauză fiind complexitatea compozițională, gradul de oxidare și prezența polimerilor pentru încapsulare.
O țintă pentru anul 2030 în implementarea conceptelor de economie circulară este atingerea unui grad de recuperare a REE de peste 50%. Prin proiectul ERAMIN 2-ID 87 „Microwave enhanced recovery of REEs and plastic from WEEE and re-use in Additive Manufacturing of novel magnetic components”, coordonat de firma belgiană FADDTORY srl, cu participarea IMNR și a unui IMM inovativ din România, specializat în reciclarea materialelor plastice (Daily Sources & Research srl), se propune o soluție originală și mai prietenoasă cu mediul de tratare a componentelor cu conținut de pământuri rare ajunse la finalul ciclului de viață. Metoda propusă are la bază utilizarea microundelor pentru tratarea deșeurilor, recuperarea pământurilor rare și a materialului plastic, reproiectarea și reutilizarea lor la fabricarea aditivă a magneților permanenți pin extrudarea materialului recuperat prin tehnologia FDM de printare 3D.